Нова технологія може зробити сонячні панелі у 2-4 рази дешевшими

Отримані результати можуть дозволити інженерам систематично визначати найефективніші молекули для продовження терміну служби перовскітних сонячних елементів, відходячи від покладення на трудомісткі методи проб і помилок.

Відкриття в Університеті Мічігану дає ключові ідеї щодо запобігання швидкому розкладанню перовскітних напівпровідників. Ця технологія потенційно може призвести до створення сонячних елементів, які у два-чотири рази дешевші, ніж поточні тонкоплівкові сонячні панелі.

Перовскіти також можна поєднувати з напівпровідниками на основі кремнію, які переважають у сучасних сонячних батареях, для створення «тандемних» сонячних елементів, які можуть перевершити максимальну теоретичну ефективність кремнієвих сонячних елементів.

«Кремнієві сонячні батареї чудові, тому що вони дуже ефективні та можуть працювати дуже довго, але висока ефективність пов’язана з високою ціною», — сказав Сівень Гонг, доцент кафедри хімічної інженерії університету. «Для виготовлення кремнію високої чистоти потрібні температури понад 1000 градусів Цельсія. Інакше ефективність буде не такою хорошою».

Проблеми з перовскітовими сонячними елементами

Висока температура супроводжується вищими економічними та екологічними витратами. Але хоча перовскіти можуть вироблятися при більш низьких температурах, вони руйнуються під впливом тепла, вологи та повітря. Як наслідок, тривалість життя перовскіту сьогодні занадто мала, щоб бути комерційно конкурентоспроможною в сонячних панелях.

Дослідження Гонг спрямовані на створення міцніших перовскітних сонячних батарей, і її останнє дослідження, опубліковане в журналі Matter, показує, що об’ємні молекули, які «заспокоюють дефекти», найкраще підвищують стабільність перовскітів і загальну тривалість життя.

Розуміння дефектів перовскіту

Кристали перовскіту містять атоми свинцю, які не повністю зв’язані з іншими компонентами перовскіту. Такі «недоскоординовані ділянки» є дефектами, які часто виявляються на поверхнях кристалів і на межах зерен, де є розрив кристалічної решітки. Ці дефекти перешкоджають руху електронів і прискорюють розпад матеріалу перовскіту.

Інженери вже знають, що змішування молекул, що усувають дефекти, у перовскіти може допомогти заблокувати недостатньо скоординований свинець, своєю чергою запобігаючи утворенню інших дефектів при високих температурах. Але досі інженери не знали точно, як дана молекула впливає на стійкість клітин перовскіту.

«Ми хотіли з’ясувати, які особливості молекул конкретно покращують стабільність перовскіту», — сказав Хонгкі Кім, колишній докторант у галузі хімічної інженерії та один із перших авторів дослідження.

Дослідження добавок перовскіту

Щоб дослідити проблему, команда Гонга створила три добавки різної форми та розміру та додала їх у тонкі плівки кристалів перовскіту, які можуть поглинати світло та перетворювати його на електрику. Кожна добавка містила однакові або подібні хімічні будівельні блоки, що робило розмір, вагу та розташування основними властивостями, що відрізняють їх.

Потім команда виміряла, наскільки сильно різні добавки взаємодіяли з перовскітами і, як наслідок, вплинули на утворення дефектів у плівках. Більші за масою молекули краще прилипають до перовскіту, оскільки вони мають більше сайтів зв’язування, які взаємодіють з кристалами перовскіту. Як наслідок, вони, як правило, краще запобігали утворенню дефектів.

Але найкращі добавки також повинні займати багато місця. Великі, але тонкі молекули призвели до менших зерен перовскіту під час виробничого процесу. Менші зерна не є ідеальними, оскільки вони також створюють клітини перовскіту з більшою кількістю меж зерен або більшою кількістю областей для утворення дефектів. Навпаки, об’ємні молекули змусили утворити більші зерна перовскіту, що, своєю чергою, зменшило щільність меж зерен у плівці.

Вплив розміру та форми добавки

Нагрівання перовскітових плівок до температури понад 200 градусів за Цельсієм підтвердило, що об’ємні добавки допомогли плівкам зберегти більше свого характерного шиферно-чорного кольору та утворити менше структурних дефектів.

«Під час розробки добавок важливі як розмір, так і конфігурація, і ми вважаємо, що цю філософію дизайну можна застосувати в різних композиціях перовскіту, щоб ще більше подовжити термін служби перовскітних сонячних елементів, світловипромінювальних пристроїв і фотодетекторів», — сказав Карлос Алехандро Фігероа Моралес, докторант, студент.